压电陶瓷的压电原理及制作工艺教案资料.ppt

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1、 压电陶瓷压电原理、压电陶瓷压电原理、应用与制作应用与制作(zhzu)(zhzu)工艺工艺第一页，共160页。内内 容容压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺配料配料预烧预烧混合和粉碎混合和粉碎成型与排塑成型与排塑 烧结烧结 极化极化第二页，共160页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的压电的压电原理原理压电现象压电现象(xinxing)与压电效应与压电效应压电陶瓷因受力压电陶瓷因受力形变而产生电的形变而产生电的效应效应(xioyng)，称为正压电效，称为正压电效应应(xioyng)。压电陶瓷点火示意图压电陶瓷点火示意图 气体喷嘴气体喷嘴

2、高高压压引引线线压压电电振振子子磷磷铜铜片片压压电电振振子子外外壳壳叩叩击击机机构构第三页，共160页。压电蜂压电蜂鸣器鸣器 压电陶瓷压电陶瓷(toc)的压电的压电原理原理压电现象压电现象(xinxing)与压电效应与压电效应 压电陶瓷因加电压压电陶瓷因加电压(diny)(diny)而产生形变的效而产生形变的效应，称为逆压电效应。应，称为逆压电效应。节点支承节点支承边缘支承边缘支承中心支承中心支承第四页，共160页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)(toc)内部结构内部结构(压电陶瓷压电陶瓷(toc)(toc)是多晶体是多晶体)压电陶瓷压电陶瓷(toc)的压电原的压电原理理 压电陶瓷(toc)由小晶

3、粒无规则镶嵌成，如图所示。BSPTBSPT压电陶瓷断面压电陶瓷断面SEMSEM照片照片 第五页，共160页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的压电原的压电原理理压电陶瓷压电陶瓷(toc)(toc)内部结构内部结构(压电陶瓷压电陶瓷(toc)(toc)是多晶体是多晶体)陶瓷显微结构陶瓷显微结构第六页，共160页。每个小晶粒微观上是由原子或离子(lz)有规则排列成晶格，可看为一粒小单晶。原子在空间(kngjin)排列成晶格示意图压电陶瓷压电陶瓷(toc)的压电原的压电原理理压电陶瓷内部结构压电陶瓷内部结构(压电陶瓷是多晶体压电陶瓷是多晶体)第七页，共160页。每个小晶粒内还具有(jyu)铁电畴。PZT陶

4、瓷(toc)中电畴结构显微照片压电陶瓷压电陶瓷(toc)的压电原的压电原理理压电陶瓷内部结构压电陶瓷内部结构(压电陶瓷是多晶体压电陶瓷是多晶体)第八页，共160页。整体(zhngt)看来，晶粒与晶粒的晶格方向不一定相同，排列是无规则的。这样的结构称其为多晶体。晶粒的晶格晶粒的晶格(jn)取向示意图取向示意图压电陶瓷压电陶瓷(toc)的压电原的压电原理理压电陶瓷内部结构压电陶瓷内部结构(压电陶瓷是多晶体压电陶瓷是多晶体)第九页，共160页。钙钛矿型的晶胞钙钛矿型的晶胞(jn bo)结构结构压电陶瓷压电陶瓷(toc)的压电的压电原理原理压电陶瓷压电陶瓷(toc)(toc)内部结构内部结构(压电陶瓷

5、压电陶瓷(toc)(toc)的晶胞的晶胞)第十页，共160页。压电陶瓷的晶胞结构(jigu)随温度的变化有所变化。钛酸钡晶胞结构钛酸钡晶胞结构(jigu)随温度的转变随温度的转变压电陶瓷压电陶瓷(toc)的压电原的压电原理理压电陶瓷内部结构（晶胞与自发极化）压电陶瓷内部结构（晶胞与自发极化）第十一页，共160页。这种电极化不是由外电场产生(chnshng)，而是由晶体自身产生(chnshng)的，所以成为自发极化，其相变温度TC称为居里温度。BTBT中自发极化产生示意图中自发极化产生示意图 压电陶瓷压电陶瓷(toc)的压电的压电原理原理压电陶瓷压电陶瓷(toc)内部结构（晶胞与自发极化）内部结

6、构（晶胞与自发极化）第十二页，共160页。c轴方向轴方向(fngxing)决定自发极化取向决定自发极化取向能量最低原则决定畴结构能量最低原则决定畴结构晶粒中形成晶粒中形成一定的小区一定的小区排列排列(pili)状状态态畴畴结结构构晶胞自晶胞自发发(zf)极化取向极化取向一致小区的存在一致小区的存在自自发发极化取向不一极化取向不一致小区的搭配致小区的搭配晶格匹配要求晶格匹配要求能量最低要求能量最低要求相结构决定畴壁类型相结构决定畴壁类型压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理压电陶瓷内部结构（电畴形成）压电陶瓷内部结构（电畴形成）第十三页，共160页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的压电的压电原理原理

7、因为晶粒为四方相时，自发极化取向与原反应立方相三个晶轴之一平行，所以，相邻两个畴中自发极化方向只能成90角或180角，相应电畴交界面就分别(fnbi)称为90畴壁和180畴壁。四方(sfng)相晶体90畴壁和180畴示意图 压电陶瓷内部结构（电畴形成）压电陶瓷内部结构（电畴形成）第十四页，共160页。电畴在外电场电畴在外电场(din chng)作用下的运动作用下的运动 a）极化前（b）极化过程（c）极化后 压电陶瓷(toc)在极化中电畴变化示意图压电陶瓷压电陶瓷(toc)的压电原的压电原理理压电陶瓷内部结构（电畴的运动）压电陶瓷内部结构（电畴的运动）第十五页，共160页。在交变电场在交变电场(

8、jio bin din chn)作用下，因电畴作用下，因电畴与自发极化的运动，压电陶与自发极化的运动，压电陶瓷可观察到电滞回线，即具瓷可观察到电滞回线，即具有铁电性有铁电性。图中，图中，PS为自发极化强为自发极化强度，度，Pr为剩余极化强度，为剩余极化强度，EC为矫顽场强。压电陶瓷为矫顽场强。压电陶瓷(toc)极化工序中，一般选极化工序中，一般选择电场强度为择电场强度为2-3倍的倍的EC。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的压电原的压电原理理压电陶瓷内部结构（电畴与电滞回线）压电陶瓷内部结构（电畴与电滞回线）第一次极化第一次极化以后的极化以后的极化第十六页，共160页。压电效应压电效应(y din x

9、io yng)的再理解的再理解瓷片内束缚电荷与电极上吸附自由电荷示意图瓷片内束缚电荷与电极上吸附自由电荷示意图 压电陶瓷压电陶瓷(toc)的压电原的压电原理理第十七页，共160页。正压电效应正压电效应(y din xio yng)示意图示意图 瓷片压缩，极化强度变小，释放部分吸附自由电荷，出现放电现象。F撤除，瓷片回复原状，极化强度变大，吸附一些自由电荷，出现充电现象。这种由机械能转变为电能(dinnng)的现象，称为正压电效应。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的压电的压电原理原理压电效应的再理解压电效应的再理解第十八页，共160页。逆压电效应逆压电效应(y din(y din xio yng)xi

10、o yng)示意图示意图 在瓷片上施加与极化方向(fngxing)相同电场。极化强度增大，瓷片发生伸长形变。反之则发生缩短形变。这种由电能转变为机械能的现象，称为逆压电效应。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的压电的压电原理原理压电效应的再理解压电效应的再理解第十九页，共160页。作为介电材料，可用介电系数作为介电材料，可用介电系数，介电损耗，介电损耗tgtg，绝缘绝缘(juyun)(juyun)电阻率电阻率和抗电强度和抗电强度EbEb等表征。等表征。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的主要参的主要参数数 作为压电材料，还必须补充一些参数：作为压电材料，还必须补充一些参数：压电系数压电系数d d、g g 机电

11、耦合系数机电耦合系数k k 机械品质因素机械品质因素(yn s)Qm(yn s)Qm 频率系数频率系数N N第二十页，共160页。压电系数压电系数(xsh)d：单位机械应力：单位机械应力T所产生的电位所产生的电位移移D 反映应力（应变反映应力（应变反映应力（应变反映应力（应变(yngbin)(yngbin)）和电场（电位移）和电场（电位移）和电场（电位移）和电场（电位移）间的关系间的关系间的关系间的关系压电陶瓷压电陶瓷(toc)的主要的主要参数参数常用的为横向压电系数常用的为横向压电系数d31和纵向压电系数和纵向压电系数d33（脚标（脚标第一位数字表示压电陶瓷的极化方向；第二位数字表第一位数字

12、表示压电陶瓷的极化方向；第二位数字表示机械振动方向）。示机械振动方向）。d=D/T（C/N）（m/V）或：单位电场强度或：单位电场强度V/xV/x所产生的应变所产生的应变x/x x/x 第二十一页，共160页。压电电压系数压电电压系数g g：单位应力：单位应力T T所产生所产生(chnshng)(chnshng)的电场强的电场强度度E E；或单位电荷所产生；或单位电荷所产生(chnshng)(chnshng)的形变。的形变。（Vm/NVm/N）压电陶瓷压电陶瓷(toc)的主要参的主要参数数d d和和g g在不同在不同(b tn)(b tn)的角度反映了材料的压电性能，的角度反映了材料的压电性能

13、，d d用得较为普遍，用得较为普遍，g g常用于接收型换能器、拾音器，高压常用于接收型换能器、拾音器，高压发生器等场合。发生器等场合。第二十二页，共160页。机电耦合系数机电耦合系数k 或或 压电陶瓷压电陶瓷(toc)的主要参的主要参数数 kp是压电材料进行机械能是压电材料进行机械能-电能转换的能力电能转换的能力(nngl)反映。它与材料的压电系数、反映。它与材料的压电系数、和弹性常数等有和弹性常数等有关，是一个比较综合的参数。关，是一个比较综合的参数。机电耦合系数反映了机械能和电能之间的转换程度，机电耦合系数反映了机械能和电能之间的转换程度，由于转换不可能完全，总有一部分能量以热能、声波等由

14、于转换不可能完全，总有一部分能量以热能、声波等形式损失或向周围介质传播，因而形式损失或向周围介质传播，因而k总是小于总是小于1的。的。第二十三页，共160页。不同材料的不同材料的k k值不同；同种材料由于振动方式不值不同；同种材料由于振动方式不同，同，k k值也不同。值也不同。常用的有横向机电耦合系数常用的有横向机电耦合系数k31k31、纵向机电耦、纵向机电耦合系数合系数k33 k33、以及沿圆片的半径方向振动的平面、以及沿圆片的半径方向振动的平面(pngmin)(pngmin)机电耦合系数机电耦合系数kpkp（或称径向机电耦合系（或称径向机电耦合系数数krkr）。）。压电陶瓷压电陶瓷(toc

15、)的主要参的主要参数数第二十四页，共160页。Z振动方向振动方向Y条状振子条状振子K31（横向耦机电合系数）（横向耦机电合系数）X极极化化方方向向Z极极化化方方向向振振动动方方向向柱状振子柱状振子K33（纵向机电耦合系数）（纵向机电耦合系数）Z极极化化方方向向圆片振子圆片振子Kp（平面机电耦合系数）（平面机电耦合系数）Kr（径向机电耦合系数）（径向机电耦合系数）压电陶瓷压电陶瓷(toc)的主要的主要参数参数第二十五页，共160页。机械机械(jxi)品质因素品质因素Qm压电陶瓷压电陶瓷(toc)的主要的主要参数参数第二十六页，共160页。逆逆压压电电效效应应使使压压电电材材料料产产生生形形变变，

16、形形变变又又会会产产生生电电信信号号，如如果果压压电电元元件件上上加加上上交交流流信信号号，频频率率与与元元件件（振振子子）的的固固有有(gyu)振振动动频频率率fT相相等等时时，便便产产生生谐谐振振。振振动动时时晶晶格格形形变变产产生生内内摩摩擦擦，而而损损耗耗一一部部分分能能量量（转转换换成成热热能能）。为为了了反反映映谐谐振振时时的的这这种种损损耗耗程程度度而而引引入入Qm这这个个参参数数，Qm越越高，能量的损耗就越小。高，能量的损耗就越小。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的主要参的主要参数数 在滤波器、谐振换能器、压电音叉在滤波器、谐振换能器、压电音叉(ynch)等谐振等谐振子中，要求高的子

17、中，要求高的Qm值。值。第二十七页，共160页。频率系数频率系数N：压电振子的谐振频率：压电振子的谐振频率f0与振动与振动(zhndng)方向上线度的乘积。方向上线度的乘积。只与材料性质只与材料性质(xngzh)相关，而与尺寸因素无相关，而与尺寸因素无关。关。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的主要参的主要参数数第二十八页，共160页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的用途的用途应应用用领领域域举举 例例电电源源压电变压压电变压器器雷达，雷达，电视显电视显像管，阴极射像管，阴极射线线管，盖克技管，盖克技术术管，激管，激光管和光管和电电子复制机等高子复制机等高压电压电源和源和压电压电点火装置点火装置信号源信号

18、源标标准信号源准信号源振振荡荡器，器，压电压电音叉，音叉，压电压电音片等用作精密音片等用作精密仪仪器中的器中的时间时间和和频频率率标标准信号源准信号源信号信号转换转换电电声声换换能器能器拾声器，送拾声器，送话话器，受器，受话话器，器，扬扬声器，蜂声器，蜂鸣鸣器等声器等声频频范范围围的的电电声器件声器件发发射射 与接收与接收超声超声换换能器能器超声切割，超声切割，焊焊接，清洗，接，清洗，搅搅拌，乳化及超声拌，乳化及超声显显示等示等频频率高于率高于20KHz的超声器件，的超声器件，压电马压电马达，探达，探测测地地质质构造，油井固构造，油井固实实程度，无程度，无损损探探伤伤和和测测厚，催化反厚，催化

19、反应应，超声衍射，疾病超声衍射，疾病诊诊断等各种工断等各种工业业用的超声器件用的超声器件水声水声换换能器能器水下水下导导航定位，通航定位，通讯讯和探和探测测的声的声纳纳，超声探，超声探测测，鱼鱼群探群探测测和和传传声器等声器等第二十九页，共160页。信信号号 处处理理滤滤波器波器通通讯讯广播中所用各种分立广播中所用各种分立滤滤波器和复合波器和复合滤滤波器，如彩波器，如彩电电中中频滤频滤波波器；雷达，自控和器；雷达，自控和计计算系算系统统所用所用带带通通滤滤波器，脉冲波器，脉冲滤滤波器等波器等放大器放大器声表面信号放大器以及振声表面信号放大器以及振荡荡器，混器，混频频器，衰减器，隔离器等器，衰减

20、器，隔离器等表面波表面波导导声表面波声表面波传输线传输线传传感感与与计计测测加速度加速度计计压压力力计计工工业业和航空上和航空上测测定振定振动动体或体或飞飞行器工作状行器工作状态态加速度加速度计计，自，自动动控制控制开关，开关，污污染染检测检测用振用振动计动计以及流速以及流速计计，流量，流量计计和液面和液面计计等等角速度角速度计计测测量物体角速度及控制量物体角速度及控制飞飞行器航向的行器航向的压电压电陀螺陀螺红红外探外探测计测计监视领监视领空，空，检测检测大气大气污污染染浓浓度，非接触式度，非接触式测测温以及温以及热热成像，成像，热电热电探探测测、跟踪器等、跟踪器等位移与致位移与致动动器器激光

21、激光稳频补偿稳频补偿元件，元件，显显微加工微加工设备设备及光角度，光程及光角度，光程长长的控制器的控制器存存贮贮调调制制电电光和声光光和声光调调制的光制的光阀阀，光，光闸闸，光，光变频变频器和光偏器和光偏转转器，声开关器，声开关存存贮贮光信息存光信息存贮贮器，光器，光记忆记忆器器显显示示铁电显铁电显示器，声光示器，声光显显示器等示器等其它其它非非线线性元件性元件压电继电压电继电器等器等压电陶瓷压电陶瓷(toc)的的用途用途第三十页，共160页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的的用途用途压电陶瓷压电陶瓷(toc)泵泵阀阀出口出口压电陶瓷压电陶瓷换能器换能器进口进口第三十一页，共160页。压电陶瓷压电

22、陶瓷(toc)的的用途用途压电陶瓷压电陶瓷(toc)喷喷墨打印墨打印金属片金属片圆锥形容器圆锥形容器内液层内液层外墨水池外墨水池喷嘴喷嘴金属膜金属膜墨水墨水压电陶瓷压电陶瓷换能器换能器输入信号输入信号第三十二页，共160页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的的用途用途254311.焊接程序控制器；焊接程序控制器；2.超声发生器；超声发生器；3.换能器声学换能器声学(shngxu)系统；系统；4.焊件；焊件；5.工作台工作台压电陶瓷压电陶瓷(toc)超声波超声波焊接焊接第三十三页，共160页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的的用途用途压电陶瓷压电陶瓷(toc)超声超声波焊接波焊接第三十四页，共160页。压

23、电陶瓷压电陶瓷(toc)的的用途用途压电陶瓷压电陶瓷(toc)加加湿器湿器雾气出口雾气出口水箱水箱压电振子压电振子水水雾雾风机风机第三十五页，共160页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的的用途用途压电陶瓷压电陶瓷(toc)加加湿器湿器第三十六页，共160页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的的用途用途压电陶瓷压电陶瓷(toc)变压器（升变压器（升压型）压型）输入端输入端极化方向极化方向极化方向极化方向驱动部分驱动部分发电部分发电部分振动方向振动方向输出端输出端twl/2tw第三十七页，共160页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的的用途用途压电陶瓷压电陶瓷(toc)变压器（降变压器（降压型）压型）第三十八页，

24、共160页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的用途的用途 压电陶瓷压电陶瓷(toc)复印机电源复印机电源第三十九页，共160页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的的用途用途笔记本电脑背光笔记本电脑背光(bigung)电源电源第四十页，共160页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的的用途用途压电陶瓷变压器便压电陶瓷变压器便携式激光携式激光(jgung)电源电源第四十一页，共160页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的的用途用途激光血管激光血管(xugun)内内照射治疗仪照射治疗仪第四十二页，共160页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的的用途用途压电陶瓷压电陶瓷(toc)极化台极化台第四十三页，共160页。压电陶瓷压电陶瓷(

25、toc)的的用途用途压电变压器电警棍压电变压器电警棍第四十四页，共160页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的用途的用途压电陶瓷压电陶瓷(toc)变压器雷变压器雷达显示器高压电源达显示器高压电源第四十五页，共160页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的用途的用途压电陶瓷压电陶瓷(toc)变压器（升变压器（升压型）压型）第四十六页，共160页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的的用途用途压电陶瓷压电陶瓷(toc)变压器变压器（降压型）（降压型）第四十七页，共160页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的的用途用途压电陶瓷压电陶瓷(toc)水声水声设备设备（1 1）水声通讯仪；）水声通讯仪；（2 2）主动式声纳）主动式声纳

26、(shngn)(shngn)（回声（回声定位仪）；（定位仪）；（3 3）被动式声纳被动式声纳(shngn)(shngn)第四十八页，共160页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的的用途用途压电陶瓷压电陶瓷(toc)超声马达（驻超声马达（驻波型）波型）123451.1.压电元件压电元件(yunjin)(yunjin)；2.2.弹性衬垫；弹性衬垫；3.3.弹簧；弹簧；4.4.转转子；子；5.5.磨衬垫磨衬垫第四十九页，共160页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的的用途用途压电陶瓷压电陶瓷(toc)超声马达（行波超声马达（行波型）型）第五十页，共160页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的的用途用途压电陶瓷压电陶瓷

27、(toc)超超声马达声马达压电陶瓷压电陶瓷(toc)超声马达（行超声马达（行波型）波型）环形压电马达工作原理环形压电马达工作原理第五十一页，共160页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的用途的用途压电陶瓷压电陶瓷(toc)超超声马达声马达第五十二页，共160页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的的用途用途压电陶瓷压电陶瓷(toc)超声超声马达马达第五十三页，共160页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的用途的用途压电陶瓷压电陶瓷(toc)超超声马达声马达第五十四页，共160页。基于基于(jy)压电驱动器杆状微马达（摄压电驱动器杆状微马达（摄像用）像用）压电陶瓷压电陶瓷(toc)的的用途用途压电陶瓷压电陶瓷(to

28、c)超声超声马达马达第五十五页，共160页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的的用途用途超声马达在国外已应用的领域超声马达在国外已应用的领域智能飞机磁悬浮列车汽车手机人造卫星细胞穿刺智能药片（压电泵）集成式 USM彩色复印机火星探测器半导体制造业照相机手表昆虫机器人变形机翼（应用压电作动器）天文望远镜空中机器人太空机器手第五十六页，共160页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的的用途用途南京航空航天大学研制的部分超声马达及其应用南京航空航天大学研制的部分超声马达及其应用无磁性USM双模态步进USM三自由度USM带编码器USM大推力直线USM便携式汽油发动机云台控制系统方板型直线USM移动机器人核磁共振注射

29、器关节机器手X-Y运动台（直线USM）行波型杆式USM模态转换型USM用于二元机翼模型试验非接触性USMX-Y运动台（旋转USM）第五十七页，共160页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的用途的用途压电陶瓷压电陶瓷(toc)驱动器驱动器第五十八页，共160页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的用途的用途压电陶瓷压电陶瓷(toc)驱动器驱动器第五十九页，共160页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的用途的用途压电陶瓷压电陶瓷(toc)驱动器驱动器基于压电驱动器的全方位微移动基于压电驱动器的全方位微移动(ydng)平台平台第六十页，共160页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的的用途用途压电陶瓷压电陶瓷(toc)超超声清

30、洗声清洗第六十一页，共160页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的的用途用途压电陶瓷压电陶瓷(toc)换能器换能器第六十二页，共160页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的的用途用途压电陶瓷压电陶瓷(toc)电声电声元器件元器件蜂鸣器蜂鸣器第六十三页，共160页。扬声器扬声器压电陶瓷压电陶瓷(toc)的用途的用途压电陶瓷压电陶瓷(toc)电声元器电声元器件件第六十四页，共160页。扬声器扬声器压电陶瓷压电陶瓷(toc)的的用途用途压电陶瓷压电陶瓷(toc)电声元器电声元器件件第六十五页，共160页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的用途的用途压电陶瓷压电陶瓷(toc)探伤仪探伤仪第六十六页，共160页。压电陶瓷

31、压电陶瓷(toc)的的用途用途压电陶瓷压电陶瓷(toc)测厚仪测厚仪第六十七页，共160页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的用途的用途压电陶瓷压电陶瓷(toc)点火点火元器件元器件第六十八页，共160页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的的用途用途压电陶瓷压电陶瓷(toc)发电发电（框图）（框图）第六十九页，共160页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的用途的用途压电陶瓷压电陶瓷(toc)发电发电（鞋）（鞋）第七十页，共160页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的的用途用途基于基于(jy)(jy)压电陶瓷光纤的自供电系统及压电陶瓷光纤的自供电系统及应用应用 压电光纤用作能量压电光纤用作能量(nngling)(nng

32、ling)采集器采集器 第七十一页，共160页。压电陶瓷(toc)的制作工艺压电陶瓷压电陶瓷(toc)(toc)的制作过程主的制作过程主要步骤要步骤 极极化化测测试试上上电电极极机机加加工工配配料料混混合合预预烧烧粉粉碎碎成成型型排排胶胶烧烧成成第七十二页，共160页。配料（原料的选择配料（原料的选择(xunz)(xunz)和处理）和处理）压电陶瓷(toc)的制作工艺 原料(yunlio)是制备压电陶瓷的基础。选择原料(yunlio)一般应注意其化学组成和物理状态。(1)纯度纯度 对纯度的要求应适度。对纯度的要求应适度。高高纯原料，价格昂贵，纯原料，价格昂贵，烧结温度高，温区窄烧结温度高，温区

33、窄。纯度。纯度稍低稍低的原料，有的杂的原料，有的杂质可起矿化和助熔的作用，反而使质可起矿化和助熔的作用，反而使烧结温度较低，烧结温度较低，且温区较宽且温区较宽。过低纯度原料杂质多，不宜采用。过低纯度原料杂质多，不宜采用。第七十三页，共160页。(2)杂质(zzh)含量 压电陶瓷(toc)的制作工艺配料（原料的选择配料（原料的选择(xunz)和处理）和处理）杂质允许量主要根据以下三点因素决定：杂质允许量主要根据以下三点因素决定：1)杂质类型杂质类型 有害杂质有害杂质 对材料绝缘、介电性等对材料绝缘、介电性等影响极大的杂质，特别是异价离子。如影响极大的杂质，特别是异价离子。如B、C、P、S、Al等

34、，愈少愈好。等，愈少愈好。有利杂质有利杂质 与材料与材料A、B位离子电价相同、半径接近，能位离子电价相同、半径接近，能形成置换固溶的杂质。如形成置换固溶的杂质。如Ca2+、Sr2+、Ba2+、Mg2+、Sn4+、Hf4+等离子，一般在等离子，一般在0.20.5%范围内，范围内，坏的影响不大，甚至有利坏的影响不大，甚至有利。第七十四页，共160页。压电陶瓷(toc)的制作工艺 2)材料材料(cilio)类型类型配料（原料配料（原料(yunlio)的选择和处理）的选择和处理）接收型压电陶瓷材料接收型压电陶瓷材料 已引入了降低电导率和老化率的高价施主杂质，已引入了降低电导率和老化率的高价施主杂质，原

35、料中在原料中在0.5%以内以内的杂质不足以显著影响施主杂质的杂质不足以显著影响施主杂质的既定作用。的既定作用。发射型压电陶瓷材料发射型压电陶瓷材料 要求低机电损耗，因而配料中的杂质总量，愈少要求低机电损耗，因而配料中的杂质总量，愈少愈好，一般希望在愈好，一般希望在0.05%以下以下。对于为了提高其它性能。对于为了提高其它性能参数的有意添加物，另当别论。参数的有意添加物，另当别论。第七十五页，共160页。3)原料原料(yunlio)在配方中的比例在配方中的比例配料（原料配料（原料(yunlio)的选择和处理）的选择和处理）压电陶瓷(toc)的制作工艺在在PZT配方中，比例大的原料配方中，比例大的

36、原料Pb3O4、ZrO2、TiO2分别占重量比的分别占重量比的60%、20%和和18%左右，左右，若杂质多，引入杂质总量也多。因此，要求杂若杂质多，引入杂质总量也多。因此，要求杂质总含量均不超过质总含量均不超过2%，即要求纯度均在，即要求纯度均在98%以以上。上。配方中比例小的其它原料，杂质总含量可稍配方中比例小的其它原料，杂质总含量可稍高一些，一般均在高一些，一般均在3%以下，即要求纯度均在以下，即要求纯度均在97%以上，特殊要求例外。以上，特殊要求例外。第七十六页，共160页。压电陶瓷的制作(zhzu)工艺(3)稳定性与活泼稳定性与活泼(hu po)性性配料（原料的选择配料（原料的选择(x

37、unz)和处理）和处理）稳定性稳定性是指未进行固相反应前原料本身的稳定是指未进行固相反应前原料本身的稳定性。如碱金属和碱土金属氧化物易与水作用，在空性。如碱金属和碱土金属氧化物易与水作用，在空气中不易保存，不稳定。如气中不易保存，不稳定。如Na、Ca、Ba、Sr、Mg的氧化物，不宜采用。宜采用与水不起作用、稳定的、的氧化物，不宜采用。宜采用与水不起作用、稳定的、加热又能分解出活泼性大的新鲜氧化物的相应的碳酸加热又能分解出活泼性大的新鲜氧化物的相应的碳酸盐。如盐。如Na2CO3、CaCO3、SrCO3、BaCO3、MgCO3等。等。第七十七页，共160页。压电陶瓷(toc)的制作工艺 活泼活泼(

38、hu po)性是指在固相反应中原料本身的性是指在固相反应中原料本身的活泼活泼(hu po)性。活泼性。活泼(hu po)性好的原料能促性好的原料能促使固相反应完全，利于降低合成温度，减少铅使固相反应完全，利于降低合成温度，减少铅挥发如挥发如Pb3O4原料比原料比PbO原料活泼原料活泼(hu po)性好。性好。因其在加热中可分解脱氧成新鲜活泼因其在加热中可分解脱氧成新鲜活泼(hu po)性性大的大的PbO。配料（原料配料（原料(yunlio)的选择和处理）的选择和处理）(3)(3)稳定性与活泼性稳定性与活泼性第七十八页，共160页。压电陶瓷(toc)的制作工艺(4)颗粒颗粒(kl)度度配料（原料

39、配料（原料(yunlio)的选择和处理）的选择和处理）原料颗粒度要求原料颗粒度要求小于小于0.2m，微量添加物应更细。，微量添加物应更细。这样，可增加混料接触面积，利于互扩散反应，这样，可增加混料接触面积，利于互扩散反应，使组成均匀。还可减小陶瓷内应力，增加机械强使组成均匀。还可减小陶瓷内应力，增加机械强度等。度等。原料处理方面有以下常用方法：原料处理方面有以下常用方法：采用的原料，若颗粒较粗，如采用的原料，若颗粒较粗，如MnO2、出厂、出厂未未细磨的细磨的ZrO2等等，必须细磨。可采取振磨、球磨、行，必须细磨。可采取振磨、球磨、行星磨等，小量原料也可用研钵研细。星磨等，小量原料也可用研钵研细

40、。第七十九页，共160页。配料（原料的选择配料（原料的选择(xunz)和处理）和处理）压电陶瓷(toc)的制作工艺烘干烘干 为了不影响为了不影响(yngxing)配料的准确性，含配料的准确性，含水原料必须进行烘干脱水处理。一般在电热式干水原料必须进行烘干脱水处理。一般在电热式干燥箱中干燥。温度燥箱中干燥。温度110120，时间不少于，时间不少于4小小时，直至无水分为止。时，直至无水分为止。化学分析化学分析 在大批量生产压电陶瓷时，每批购进的原料，因在大批量生产压电陶瓷时，每批购进的原料，因制造或分装的厂商不同、批次的不同，其质量可能不制造或分装的厂商不同、批次的不同，其质量可能不同。因此，应抽

41、样化验其纯度或杂质，检测其颗粒度，同。因此，应抽样化验其纯度或杂质，检测其颗粒度，以保证压电陶瓷的性能。以保证压电陶瓷的性能。第八十页，共160页。(1)由原料的重量比来计算配方的方法由原料的重量比来计算配方的方法写出配方的写出配方的化学化学(huxu)分子式；分子式；写出原料分子式、纯度，写出原料分子式、纯度，查出分子量；查出分子量；用以下公式计算各原料所需用量用以下公式计算各原料所需用量 (i=1，2，n)(1)压电陶瓷的制作(zhzu)工艺配料配料(pi lio)（配方计算）（配方计算）式中式中xi为为原料的原料的mol数，数，Mi为为mol质质量，量，xiMi为质为质量，量，Pi为纯为

42、纯度；度；为配方量；为配方量；W为总配料用量。为总配料用量。第八十一页，共160页。(2)由原料由原料(yunlio)mol数比例来数比例来计计算配方的方法算配方的方法:写出配方的化学分子式写出配方的化学分子式;写出所用原料写出所用原料(yunlio)的分子式、的分子式、纯纯度，并度，并查查出其分子量出其分子量(mol质质量量);用以下公式用以下公式计计算各原料算各原料(yunlio)所需用量所需用量:(i=1，2，n)(2)式中式中X为配料总为配料总mol数，其它同上。该方法计算比较简数，其它同上。该方法计算比较简单，特别是配方单，特别是配方(pi fng)中以中以mol百分比给出添加物百分

43、比给出添加物时，常用此法。时，常用此法。压电陶瓷的制作(zhzu)工艺配料（配方计算）配料（配方计算）第八十二页，共160页。压电陶瓷(toc)的制作工艺称料要求称料要求(yoqi)：称料与投料按称料与投料按大料大料 小料小料 大料大料顺顺序序，以保，以保证证小料在混合中的均匀性。小料在混合中的均匀性。严严防各原料算防各原料算错错、称、称错错、投投错错，要仔，要仔细检查细检查，严严格核格核对对 配料配料(pi lio)（称料）（称料）称料天平称料天平须须有一定精度。批量生有一定精度。批量生产产中中,大料用大料用0.1 克精度天平，小料用克精度天平，小料用0.01 克精度天平。克精度天平。称料要

44、称料要误误差小，速度快，以减少原料吸收差小，速度快，以减少原料吸收空气中水分而造成的空气中水分而造成的误误差。差。第八十三页，共160页。混合混合(hnh)和粉碎和粉碎 混合是将称量好的原料混合均匀、相互混合是将称量好的原料混合均匀、相互(xingh)(xingh)接触，以利于预烧时充分的化学反应。接触，以利于预烧时充分的化学反应。压电陶瓷(toc)的制作工艺 粉碎粉碎是将预烧好料块细化，达到一定的平均粒度和是将预烧好料块细化，达到一定的平均粒度和粒度分布，为成型和烧成创造有利条件。粒度分布，为成型和烧成创造有利条件。(1)(1)工艺方法工艺方法 使用球磨机使用球磨机(滚筒式、行星式、搅拌式和

45、振动滚筒式、行星式、搅拌式和振动式等球磨机式等球磨机)，加磨球，加磨球(钢球、玛瑙球、锆球等钢球、玛瑙球、锆球等)与与介质介质(水、酒精等水、酒精等)，对原料进行机械混合或粉碎。，对原料进行机械混合或粉碎。第八十四页，共160页。(2)工艺原理工艺原理 磨球靠电动机产生离心力、摩擦力和地心引力的磨球靠电动机产生离心力、摩擦力和地心引力的共同作用共同作用(zuyng)，形成碰撞、循环翻动和自转等，形成碰撞、循环翻动和自转等运动，使介于其中的粉料受到冲击和摩擦研磨，从而运动，使介于其中的粉料受到冲击和摩擦研磨，从而达到混合与粉碎细化。达到混合与粉碎细化。混合混合(hnh)和粉碎和粉碎 压电陶瓷(t

46、oc)的制作工艺(3)球磨工艺球磨工艺 具体球磨工艺视不同球磨机而定，其合理的工艺具体球磨工艺视不同球磨机而定，其合理的工艺参数要通过实验结果参数要通过实验结果(球磨后混合均匀程度、粉料粒球磨后混合均匀程度、粉料粒度大小与分布、混杂量、效率和成本等度大小与分布、混杂量、效率和成本等)优选，也可借优选，也可借鉴相关工艺参数。鉴相关工艺参数。第八十五页，共160页。(4)(4)球磨球磨质质量量(zhling)(zhling)的主要影响因素的主要影响因素 ：球球磨机磨机转转速（速（视视球磨机球磨机类类型、球磨罐大小等确定）；型、球磨罐大小等确定）；球磨罐球磨罐(直径、内直径、内衬衬材料等材料等)；磨

47、球磨球(比重、硬比重、硬度、形状、磨度、形状、磨损损率率 ；粉料填充量粉料填充量(60%(60%左右左右)；粉料、球与磨介的比例（粉料、球与磨介的比例（视视粉料的吸水性、粉料的吸水性、球比重确定）；球比重确定）；磨介的作用磨介的作用(粘附、劈裂、流粘附、劈裂、流动动、分散等分散等)；球磨球磨时间时间（视视球磨机球磨机类类型、型、进进料粒度而料粒度而定）；定）；球磨方式球磨方式(干法、湿法干法、湿法)压电陶瓷(toc)的制作工艺混合混合(hnh)和粉碎和粉碎第八十六页，共160页。压电陶瓷的制作(zhzu)工艺预烧预烧 预烧预烧(合成合成)是通过是通过(tnggu)原料中原子或离子之间在加原料中

48、原子或离子之间在加热作用下的扩散来完成固相化学反应，生成瓷料的过程。热作用下的扩散来完成固相化学反应，生成瓷料的过程。(1)预烧的目的预烧的目的 使各原料使各原料(yunlio)的固相化学反应充分均匀，生成的固相化学反应充分均匀，生成组成固定的固溶体，形成主晶相。组成固定的固溶体，形成主晶相。排除原料排除原料(yunlio)中的二氧化碳和水分等，减小坯中的二氧化碳和水分等，减小坯体的烧成收缩、变形，以便于控制产品外形尺寸。体的烧成收缩、变形，以便于控制产品外形尺寸。(2)PZT压电瓷料的合成过程压电瓷料的合成过程 分析合成过程是理解与制定预烧工艺的基础。分析合成过程是理解与制定预烧工艺的基础。

49、第八十七页，共160页。压电陶瓷(toc)的制作工艺预烧预烧对对于于PZT瓷料的合瓷料的合成成过过程，人程，人们们通通过过差差热热分析、化学分分析、化学分析析(huxu fnx)、X射射线线分析等手段分析等手段获获得的得的结结果果见图见图所所示。示。PZT形成形成(xngchng)的差的差热热曲曲线线第八十八页，共160页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)(toc)的制作工的制作工艺艺 PZT合成合成(hchng)时各相的变化时各相的变化 预烧预烧第八十九页，共160页。压电陶瓷的制作(zhzu)工艺 由图中以由图中以Pb3O4为原料的差热曲线可知：为原料的差热曲线可知：630的吸热效应是因的吸热效

50、应是因Pb3O4分解为分解为PbO引起，引起，并开始并开始(kish)形成形成PbTiO3，到，到650形成形成PbTiO3的反应最为显著。的反应最为显著。预烧预烧第九十页，共160页。790是是PbOZrO2PbZrO3三元共融液形成三元共融液形成温度，但因为这时大量存在的温度，但因为这时大量存在的PT 马上与马上与PZ生成生成PZT固溶体，所以固溶体，所以(suy)这也是这也是PZT开始形成的温度，该开始形成的温度，该反应到反应到850基本完成。基本完成。压电陶瓷的制作压电陶瓷的制作(zhzu)(zhzu)工工艺艺预烧预烧第九十一页，共160页。压电陶瓷的制作(zhzu)工艺反反应应(fn